趙 燦， 張 佳， 劉錦輝

(黑龍江科技學院 現(xiàn)代制造工程中心，哈爾濱 150027)

近年來，隨著激光技術在材料加工領域應用的迅速發(fā)展，激光快速成形技術直接制造致密金屬零件的方法受到廣泛重視，國內(nèi)外相關研究機構投入大量的人力和物力研究該項技術。選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)是一種新型激光快速制造技術，它基于分層－疊加堆積原理，實現(xiàn)金屬零件的快速制造，使之致密度近乎100%、機械性能與鍛造工藝成形性能相當[1－5]。該技術具有成形材料廣泛、成形零件無需支撐和成形復雜結構零件的優(yōu)勢[6]，被認為最具發(fā)展前景的快速制造技術之一。

316L不銹鋼粉是一種成形性好、制備簡單、來源廣泛、成本低廉的金屬粉末材料，其不銹鋼的拉伸、壓縮和抗沖擊強度高，有很好的抗氧化性、耐磨和抗腐蝕性能[7]。盡管SLM技術在金屬零部件的加工成形方面有很大優(yōu)勢，但其成形零部件存在一些缺陷，如致密度低、加工成形精度差和表面光潔度低等。為此，筆者研究SLM成形零件的主要工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、掃描間距)對316L不銹鋼粉成形零部件的密度、表面形貌的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗設備與材料

實驗設備采用華中科技大學研制的HRPM－ⅡB快速成形系統(tǒng)。其技術參數(shù):CO2激光器功率500 W，掃描方式為振鏡式激光掃描，最大成形空間為250 mm×250 mm×250 mm。

為避免粉末在成形過程中被氧化、減少氧化造成的球化，實驗預先對快速成形系統(tǒng)內(nèi)部實施抽真空處理，相對真空度為 －0.1 MPa，然后充保護氣(高純氬氣，99.99%)達到標準大氣壓后停止。

實驗選用的基板材質(zhì)為45#鋼，基板表面用無水乙醇做預處理清洗，保證成形的過程中不受基板加工時的油污影響。

實驗材料為長沙驊騮公司生產(chǎn)的氣霧化316L不銹鋼粉末，如圖1所示。粉末粒度為38 μm。其粒度的分布，如圖2所示。由圖2可見，粉末粒度尺寸集中在10～50 μm范圍內(nèi)。故30 μm 的鋪粉厚度最為適宜。

圖1 氣霧化316L不銹鋼粉末SEM形貌Fig.1 Gas atomized 316L stainless steel powder SEM micrographs

圖2 粉末粒度大小分布Fig.2 Size of powder particle size distribution

1.2 實驗方法

工藝設計采用正交實驗方法，試樣加工層厚為0.04 mm，粉末在松裝時的密度為46%。采用逐行掃描的方式，橫豎各1次。成形零件的規(guī)格為20 mm×10 mm×10 mm，零件成形后對其進行表面處理，清理后涂甘油，用排水法測試樣的致密度，在電鏡下觀測制作試樣的形貌。

2 結果與討論

正交實驗與實驗結果如表1所示。共設計九組工藝參數(shù)，每組測試一個試樣。取試樣的致密度值來判定成形零件的質(zhì)量，并對致密度高的試樣進行表面形貌觀測和金相分析。

表1 SLM工藝參數(shù)正交實驗與結果Table 1 Process parameters of SLM orthogonal experimental design and results

由表1可見，在不同因素情況下對應的都有3個不同工藝參數(shù)，分別求出3個不同參數(shù)的致密度實驗平均值，在200 W的激光功率下致密度的平均值ρz=(65.6%+67.5%+69.7%)/3=67.6%，作圖分析不同的參數(shù)對致密度的影響趨勢，結果如圖3～5所示。

圖3 激光功率對致密度影響趨勢Fig.3 Laser power to influence trend of density

圖4 掃描間距對致密度影響趨勢Fig.4 Scanning spacing to influence trend of density

圖5 掃描速度對致密度影響趨勢Fig.5 Scanning speed to influence trend of density

2.1 各參數(shù)試樣的致密度

實驗表明:200～300 W的激光功率對零件致密度的影響最大。隨著激光功率不斷增大，激光熔化粉末的能力提高，在激光路徑上粉末熔化充分，熔道深度加深、寬度加大，焊接邊緣的搭接率更高，最終成形零件表面更加完整。同時，激光能量傳導給整個零件對其起到保溫作用，有利于氣泡從熔池里排出。熔池表面平整有利于下次激光的燒結，因此，致密度增大。另外，降低激光的掃描速度或者減小掃描間距也可以提高零件致密度。

掃描間距對零件致密度影響不大，隨著掃描間距的減小致密度增加緩慢。這主要是由于伴隨著掃描間距減小單位體積內(nèi)獲得的能量增大導致金屬粉末的熔化量增多所致。但是過于小的掃描間距會導致激光燒結金屬粉末時能量過大最終導致粉末球化，使致密度很難再繼續(xù)升高。

掃描速度從800 mm/s增加到1 000 mm/s時，試樣致密度明顯減小。這是因為激光掃描線在單位長度內(nèi)的停留的時間減少，單位長度內(nèi)獲得的能量減小。金屬粉末熔化量的減少會導致金屬粉末焊接時的搭接率降低，不能形成非常致密的零件，最終導致試樣致密度減小。但在掃描速度由600 mm/s增大到800 mm/s時，試樣的成形致密度沒有減小，反而有所增大，其原因可能是在此掃描速度范圍內(nèi)，隨掃描速度增大，粉末對激光能量的吸收也增大，金屬粉末的熱量的散失率減少。

2.2 試樣表面形貌

由圖6可知，2號試樣和3號試樣致密度比較高，分別達到80.1%和79.5%。

圖6 試樣表面形貌Fig.6 Topography sample surface

由圖6可見，成形區(qū)域內(nèi)的金屬紋理比較明顯，金屬光澤度較好，激光掃描線的搭接率比較連續(xù)。圖6a中明顯的亮顏色和比較暗的顏色分布，代表成形的金屬孔洞。從圖6還可以分析出，激光的掃描方式是分塊掃描，這是由掃描方向的改變而得出的。每一掃描線區(qū)域的粉末熔成液態(tài)時會帶著附近的粉末，導致兩條掃描線之間有一些地方熔體搭接為一體，同時，出現(xiàn)了一些孔洞。這些孔洞使下次熔體流進去，能更好的填充孔洞，進而提高成形的致密度。由圖6b可見，成形零件的致密度較高，但是表面質(zhì)量不高。

2.3 工藝優(yōu)化后的零件

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，結合成形的零部件的形狀，選用激光功率為300 W、掃描間距為0.08 mm，掃描速度為800 mm/s的一組優(yōu)化工藝參數(shù)，成功制得如圖7所示的零件。其中，圖7a為等長葉片葉輪，圖7b為交錯葉片葉輪。葉片是比較難加工的零件，交錯葉片葉輪比等長葉片葉輪更難加工，選擇性激光熔化技術的優(yōu)越性得以體現(xiàn)。

圖7 成形葉輪Fig.7 Forming impeller

3 結束語

選擇性激光熔化316L不銹鋼粉末優(yōu)化后的工藝參數(shù)，可以大幅度地提高零件成形的致密度和成形零件的表面形貌質(zhì)量。當選擇性激光熔化優(yōu)化工藝的激光功率300 W、掃描間距0.08 mm、掃描速度800 mm/s時，成形的零件致密度最大，可成功制備表面形態(tài)良好的葉輪。在激光功率不變的情況下，成形零件的掃描速度和掃描間距在較大的范圍內(nèi)變化，對成形零件的致密度的影響不大。工藝參數(shù)對零件成形的致密度和表面形貌均有較大影響。

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